当电压放大电路的开路增益和输出电阻固定后_晶体管放大电路的性能分析与应用...
關(guān)于三極管共射極放大電路的基本分析方法(見(jiàn)附錄1)，我們之前有聊過(guò)。本文重點(diǎn)與大家分享下電路的性能分析，尤其電路的頻率響應(yīng)與選頻特性，還是非常有趣的。主要內(nèi)容有：
圖1為共射極放大電路。
圖1 共射極放大電路圖
“黑盒子”
如果我們把放大電路用一個(gè)盒子蓋起來(lái)，只留出輸入與輸出端，那么任何一個(gè)放大電路均可看成一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)。
左邊為輸入端口，當(dāng)內(nèi)阻為Rs的正弦波信號(hào)源Vs作用時(shí)，放大電路得到輸入電壓Vi，同時(shí)產(chǎn)生輸入電流Ii；
右邊為輸出端口，輸出電壓Vo，輸出電流Io，RL為負(fù)載電阻。
不同放大電路在Vs和RL相同的條件下，Ii、Vo、Io將不同，說(shuō)明不同放大電路從信號(hào)源索取的電流不同，且對(duì)同樣信號(hào)的放大能力也不同；
同一放大電路在幅值相同、頻率不同的Vs作用下，Vo也將不同，即對(duì)不同頻率的信號(hào)同一放大電路的放大能力也存在差異。
輸入與輸出電阻
圖2 輸入電阻的定義
輸入電阻Ri是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻，定義為輸入電壓有效值Vi和輸入電流有效值Ii之比：
Ri = Vi / Ii (公式1)
那么我們?cè)谳斎?strong>電路圖1中串聯(lián)萬(wàn)用表XMM1，設(shè)置為交流-電流檔；并聯(lián)萬(wàn)用表XMM2，設(shè)置為交流-電壓檔，那么可以測(cè)得該電路的輸入電阻。
圖2 輸入電阻的測(cè)量
萬(wàn)用表XMM1示數(shù)，電流有效值20.267μA；
萬(wàn)用表XMM2示數(shù)，電壓有效值349.973μA；
所以輸入電阻等于17.27Ω；
圖3 輸入電阻測(cè)量，萬(wàn)用表讀數(shù)
而在實(shí)際的電路中，放大電路圖1的輸入阻抗為R1與R2的并聯(lián)R1//R2。
(因?yàn)橐话阏J(rèn)為電源的阻抗為0Ω；晶體管的基級(jí)電流極小，所以晶體管本身的輸入阻抗可以看成非常大)
偏置電路R1和R2的并聯(lián)值，100kΩ//22kΩ約等于18kΩ。這個(gè)值與實(shí)際電路測(cè)量值17.27Ω基本一致。
電容C1和C2是將基級(jí)和集電極的直流電壓隔離，僅讓交流成分通過(guò)的耦合電容。
如圖4所示，電容C1和輸入阻抗，電容C2和連接的輸出端負(fù)載電阻RL分別形成高通濾波器，僅讓高頻通過(guò)的濾波器。
圖4 輸入與輸出端的高通濾波器
電容C1形成的高通濾波器截止頻率為fc，
fc = 1/2πRC = 1/2π*10μF*18kΩ ≈ 0.9Hz (公式2)
電容C2與輸出端負(fù)載形成的高通濾波器的截止頻率fe，會(huì)因輸出端接有不同的負(fù)載電阻而發(fā)生變化。所以在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，預(yù)先考慮該電路要接入什么樣的負(fù)載是至關(guān)重要的。
圖5 輸出電阻的定義
Vo為帶負(fù)載后輸出電壓的有效值，
Vo = RL/(Ro+RL) * Vo’ (公式3)
輸出電阻
Ro = (Vo’/Vo - 1) * RL (公式4)
只要獲取了Vo’和Vo的值，就可以得出輸出電阻了。從輸出電阻表達(dá)式中，我們也可以看出Ro越小，負(fù)載電阻RL變化時(shí)Vo的變化越小，稱為放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。
實(shí)際電路圖6中可以這樣測(cè)算，輸出電路先開(kāi)路，也就是不接負(fù)載，連接萬(wàn)用表XMM2，設(shè)置成交流-電壓檔，可以測(cè)到電壓Vo’=1.716V；
圖6 測(cè)量輸出電阻，開(kāi)路
然后接入負(fù)載RL=10kΩ，在接入萬(wàn)用表，設(shè)置成交流-電壓檔，測(cè)得電壓Vo=0.859V，再通過(guò)公式(4)求得輸出電阻Ro≈10kΩ；
圖7 測(cè)量輸出電阻，接入負(fù)載RL，看下輸出電壓的變化
可以看出輸出電阻Ro與電路中的Rc阻值一致，這并不是巧合；因?yàn)?#xff0c;如果我們把晶體管看作為電流源，(即使負(fù)載變化，其電流也是不改變的)
那么可以認(rèn)為電流源內(nèi)部阻抗無(wú)限大∞，所以由輸出端看到的阻抗(即輸出阻抗)為RC本身。
圖8 晶體管看作電流源，輸出電阻為RC
簡(jiǎn)要總結(jié)如下(在一般情況下)晶體管共射極放大電路的輸入電阻為偏置電路R1與R2的并聯(lián)，輸出電阻為RC；
耦合電容C1與C2分別在輸入與輸出端與偏置電阻、RC構(gòu)成了高通濾波器。
通頻帶
通頻帶用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力。
由于放大電路中電容、電感及半導(dǎo)體器件結(jié)電容等電抗元件的存在，在輸入信號(hào)頻率較低或較高時(shí)，放大倍數(shù)的數(shù)值會(huì)下降并產(chǎn)生相移。
一般情況下，放大電路只適用于放大一個(gè)特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。
圖9 電路圖1的頻率響應(yīng)
圖9是電路圖1的頻率響應(yīng)曲線。
中間一段比較穩(wěn)定，達(dá)到13.81dB(約4.9倍，與理論值5倍幾乎一致)
20log(4.9)≈13.81dB定義放大倍數(shù)下降3個(gè)dB，就是截止頻率。
那么低頻截止頻率fc1 = 0.8Hz；高頻截止頻率為fch = 1MHz
如何提高放大倍數(shù)
如果想要提高該電路圖1的放大倍數(shù)，我們可以變動(dòng)RC和RE嗎？
前面的介紹中，我們知道RC和RE比值，決定了放大倍數(shù)Au。
但是，它們倆也同時(shí)決定了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。
如果想要不破壞電路的直流靜態(tài)工作點(diǎn)，又想加個(gè)“元件”提高放大倍數(shù)，那很容易想到的元件就是——“電容”。
因?yàn)殡娙葑柚绷?#xff0c;通交流，不會(huì)影響直流靜態(tài)工作點(diǎn)。
圖10 發(fā)射極并聯(lián)電容
如圖10所示，把發(fā)射極電阻RE側(cè)分成2個(gè)，一個(gè)R=330Ω，一個(gè)RE’=1.6kΩ，保證靜態(tài)總和仍為2kΩ。
在RE’邊并聯(lián)電容C=100μF，保證交流狀態(tài)下直接把RE’短路。
Au = 10kΩ / 330Ω = 30 (公式5)
如果沒(méi)有電阻R，用電容C直接并聯(lián)RE，那么交流發(fā)射極電阻幾乎為0。從計(jì)算角度來(lái)看，此時(shí)交流放大倍數(shù)應(yīng)該為∞。
但是，很明顯不可能。
實(shí)際上放大倍數(shù)受到hFE，hIE的影響。hFE為共射極電流放大系數(shù)，hIE為晶體管輸入阻抗的常數(shù)。
在共射極放大電路中，能夠?qū)崿F(xiàn)的最大放大倍數(shù)為hIE。
1節(jié)5號(hào)電池可以放大電流嗎？
當(dāng)然可以，我們把電路中的Vcc換成5號(hào)電池。
一節(jié)5號(hào)電池的電壓為1.5V。
圖11 1節(jié)5號(hào)電池的放大電路圖
VCC設(shè)置成12V，這并不是常見(jiàn)，至少相比手頭上只有1節(jié)5號(hào)電池來(lái)的常見(jiàn)。
在偏置電路上加一個(gè)二極管，二極管正向?qū)▔航禐?.6V。
把Vcc換成電池，還要使三極管工作在放大狀態(tài)，那么三極管基級(jí)-發(fā)射極必須正向?qū)?#xff0c;VBE必須得到保證。
這就是增加一個(gè)二極管的作用，二極管一旦導(dǎo)通后，其壓降0.6V保持不變。即使電池電壓下降，也能確保晶體管的VBE能夠進(jìn)行放大工作。
158MHz頻帶調(diào)諧放大電路
現(xiàn)在有3節(jié)電池，利用這個(gè)電路可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)、FM接收機(jī)的應(yīng)用。
該應(yīng)用涉及到了RF級(jí)別，所以實(shí)際的電路裝配要十分小心。
圖12 高頻放大電路
把電路圖1中的集電極換成LC并聯(lián)諧振電路。
那么在諧振頻率fo處，阻抗就會(huì)無(wú)窮大∞；在其他頻率處，阻抗變小。
我們知道集電極的阻抗很大，那么有利于放大倍數(shù)。
(諧振電路的阻抗，即集電極負(fù)載電阻，與發(fā)射極電阻之比，決定電路的增益)
所以電路的頻率響應(yīng)與諧振電路曲線相似。僅對(duì)在調(diào)諧頻率fo附近的信號(hào)進(jìn)行選擇放大。
理論計(jì)算：
fo = 1 / 2π√LC =140 MHz (公式6)
那么實(shí)際的電路呢，這里三極管選擇了2SC3733，我們來(lái)看圖13
圖13 圖12的頻率響應(yīng)
和預(yù)期的一致，不過(guò)電路在158MHz增益最大，與理論計(jì)算的140MHz有出入。
主要原因應(yīng)該是三極管選擇與電感的問(wèn)題。很多書上給出的都是2SC2671，班長(zhǎng)沒(méi)有試驗(yàn)過(guò)，實(shí)驗(yàn)過(guò)的讀者可以告訴我。
附錄1：1秒看出電路放大倍數(shù)？晶體管放大電路設(shè)計(jì)，參數(shù)選擇就這么簡(jiǎn)單
看到這里，為班長(zhǎng)點(diǎn)個(gè)贊吧！歡迎在評(píng)論區(qū)，留言討論！總結(jié)
關(guān)于共射極放大電路，就是這么一個(gè)大家認(rèn)為最簡(jiǎn)單的電路，還有很多種變法：包括信號(hào)發(fā)生器、低通濾波器、高頻增強(qiáng)、高頻放大等等。
大家很難精通、記住每一個(gè)電路，所以建議大家掌握直流+交流、高頻+低頻的分析方法，這樣在應(yīng)用或者DIY的過(guò)程中，就可以上手很快。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的当电压放大电路的开路增益和输出电阻固定后_晶体管放大电路的性能分析与应用...的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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